CHƯƠNG 1 : ĐẠI CƯƠNG VỀ NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN VÀ ĐỊA NHIỆT
1.2. Năng lượng địa nhiệt
1.2.2.2. Nguồn áp suất địa nhiệt
Là các nguồn chứa nước muối có nhiệt độ trung bình và chứa khí metan (CH4) hịa tan . Các nguồn này bị vỏ Qủa Đất nén lại dưới áp suất rất cao dưới các tầng trầm tích sâu và bị bao bọc bởi các lớp đất sét và trầm tích khơng thấm nước .Áp suất ở các nguồn này nằm trong khoảng từ 34MPa đến 140MPa và ở độ sâu từ 1500m đến 15000m . Nhiệt độ của các nguồn áp suất địa nhiệt thường ở trong khoảng 90 đến 200°C .
1.2.2.3. Nguồn đá nóng khơ
Bao gồm các khối đá ở nhiệt độ cao , từ 90°C đến 650°C . Các nguồn đá này có thể bị nứt gãy nên có thể chứa một ít hoặc khơng có nước nóng . Để khai thác nguồn địa nhiệt này người ta khoan sâu đến tầng đá , tạo ra các nứt gãy nhân tạo , sau đó sử dụng một chất lỏng nào đó làm chất vận chuyển nhiệt bơm qua tầng đá đã bị làm nứt gãy để thu nhiệt . Tuy nhiên viêc khai thác năng lượng địa nhiệt từ các nguồn đá nóng khơ rất khó khăn và hiệu quả kinh tế khơng cao so với việc khai thác các nguồn địa nhiệt khác .
1.2.2.4. Nguồn năng lượng địa nhiệt từ các núi lửa hoạt động và magma
Năng lượng địa nhiệt ở các lỗ hổng núi lửa đang hoạt động có nhiều trên thế giới . Magma là đá nóng chảy có nhiệt độ từ 700°C đến 1600°C . Khi còn nằm dưới vỏ Quả Đất đá nóng chảy là một phần của vỏ Qủa Đất có độ dày khoảng 24 đến 48km . Các nguồn magma chứa một nguồn năng lượng khổng lồ , lớn nhất trong các nguồn địa nhiệt , nhưng nó ít khi ở gần mặt đất nên việc khai thác rất khó khăn .
1.2.3. Phân loại các nhà máy sản xuất năng lượng địa nhiệt nhiệt
1.2.3.1. Nhà máy hơi nước nóng khơ - Dry steam (Nhà máy phát điện trực tiếp)
Dry steam sử dụng hơi nước ở nhiệt độ cao (>235°C) và một ít nước nóng từ bể địa nhiệt. Hơi nước sẽ được dẫn vào thẳng turbine qua ống dẫn để quay máy phát điện.
Trong sơ đồ trực tiếp, hơi nóng với áp suất cao thổi trực tiếp làm quay tuốc bin để sinh ra điện. Đây là kiểu nhà máy điện địa nhiệt lâu đời nhất, lần đầu tiên được thử nghiệm ở Italia năm 1904, và vẫn được ứng dụng cho đến nay. Tại Callifornia có nhà máy điện địa nhiệt lớn nhất thế giới hoạt động theo nguyên lý này.
1.2.3.2. Nhà máy bằng nước siêu lỏng - Flash steam (nhà máy sản xuất điện gián tiếp)
Flash steam là dạng kỹ thuật phổ biến nhất hiện nay. Nhà máy dạng flash steam sử dụng nước nóng ở áp suất cao (>182°C) từ bể địa nhiệt. Nước nóng ở nhiệt độ cao này tự phụt lên bề mặt thơng qua giếng do chính áp suất của chúng. Trong q trình nước nóng được bơm vào máy phát điện, áp suất của nước giảm rất nhanh khi phụt lên gần mặt đất. Chính sự giảm áp này khiến nước nóng bốc hơi hồn tồn và hơi nước sinh ra sẽ làm quay turbine phát điện. Lượng nước nóng khơng bốc thành hơi sẽ được bơm xuống trở lại bể địa nhiệt thông qua giếng bơm xuyên (injection wells).
Trong sơ đồ gián tiếp, nước “siêu lỏng” từ tầng nước nóng bên dưới được đưa lên mặt đất và được giữ ở độ nóng trên 182 °C. Hỗn hợp nước nóng và hơi nước này được dẫn vào buồng hơi để hạ áp suất, do vậy phần lớn hỗn hợp < nước nóng + hơi nước nóng> được biến thành hơi nước.
Hơi nước ở áp suất cao sẽ làm quay tuốc bin phát điện.
1.2.3.3. Nhà máy hai chu trình
Cấu tạo & Nguyên lý hoạt động
Các nhà máy địa nhiệt binary-cycle sử dụng nước nóng có nhiệt độ trung bình dao động từ 107-182°C từ bể địa nhiệt. Tại các hệ thống binary, chất lỏng địa nhiệt được dẫn qua một bên của hệ thống trao đổi nhiệt để nung nóng chất lỏng thứ cấp ở ống dẫn bên cạnh. Chất lỏng thứ cấp thường là hợp chất hữu cơ có nhiệt độ sơi thấp hơn nhiệt độ sơi của nước, ví dụ như Isobutane hoặc Iso-pentane. Chất lỏng thứ cấp sau khi được đun sôi ở hệ thống trao đổi nhiệt sẽ bốc hơi và được dẫn vào turbine.
Trong quá trình vận hành của bất kỳ nhà máy địa nhiệt điện nào, hệ thống làm nguội đóng một vai trị hết sức quan trọng. Các tháp làm nguội (cooling towers) giúp turbin khơng bị q nóng và từ đó kéo dài thời gian sử dụng. Có hai dạng hệ thống làm nguội chính yếu: dùng nước hoặc dùng khơng khí.
Trong sơ đồ hỗn hợp, sử dụng nước nóng có nhiệt độ thấp hơn 200 độ C, là nguồn nước nóng dồi dào nhất trong đa số các vùng địa nhiệt. Nước nóng dưới lịng đất được đưa lên ở dạng “siêu lỏng”, có nhiệt độ sơi thấp, được đưa qua buồng trao đổi nhiệt. Nhiệt năng của nước địa nhiệt làm nước trong buồng trao đổi nhiệt bốc hơi, và hơi nước ở áp suất cao sẽ làm quay tuốc bin điện. Ưu điểm của mơ hình này là hạn chế được tình trạng có thể gây hại mơi trường (mặc dầu rất nhẹ, nếu so với nhiệt điện từ nhiên liệu hóa thạch) như 2 mơ hình trên. Đây là hệ thống khép kín nên khơng có chất thải vào khí quyển hay đất – do nước ngầm dưới sâu thường chứa các khí độc như SO2, CO2 và chứa vi lượng các nguyên tố như Arsenic, Thủy Ngân, Antimon… Nước nóng có nhiệt độ cao vừa phải là nguồn địa nhiệt thơng dụng, có tiềm năng dồi dào nhất, do đó trong tương lai đa số các nhà máy điện địa nhiệt sẽ hoạt động theo nguyên lý này.
Để nhà máy điện hoạt động hiệu quả, đòi hỏi nguồn địa nhiệt phải từ 120-150oC trở lên. Thông thường nước từ nguồn nhiệt được bơm đến bộ tách hơi, phần hơi nước tách ra được chuyển đến tua bin hơi để chạy máy phát điện. Hơi nước sau tua bin được ngưng tụ và được bơm trở lại lòng đất cùng với phần nước ngưng tại bộ tách hơi. Phần nước nóng cũng có thể được sử dụng cho các mục đích khác như sưởi, vệ sinh, tắm,… Hầu hết các nhà máy nhiệt điện (trong đó có địa nhiệt điện) sử dụng các hệ thống dùng nước. Hệ thống này yêu cầu ít diện tích sử dụng hơn hệ thống dùng khí và được xem là hiệu quả và khả thi hơn cả. Hệ thống làm nguội dùng nước đòi hỏi một nguồn nước liên tục và tạo ra các cột hơi nước. Thông thường, một phần hơi nước bơm vào turbin (đối với dạng nhà máy flash và team) được ngưng tụ để giảm phần hơi nước thải ra thành cột.
Ưu diểm
Lợi thế chủ yếu của hệ thống hai chu trình là chất lỏng thứ cấp có nhiệt độ sơi thấp hơn nhiệt độ sơi của nước, do đó các bể địa nhiệt nhiệt độ thấp vẫn có thể được sử dụng. Mặt khác, do hệ thống hai chu trình là một chu trình tương đối kín nên hầu như khơng có khí thải nào được sinh ra. Vì những lý do kể trên mà các chuyên gia địa nhiệt dự đốn rằng hệ thống hai chu trình sẽ là giải pháp kỹ thuật chủ đạo cho việc sản xuất điện địa nhiệt trong tương lai.
Nhược điểm
Hệ thống dùng khí thì khơng có tính ổn định như hệ thống dùng nước do phụ thuộc mật thiết vào nhiệt độ khơng khí. Hệ thống này tuy rất hữu dụng vào mùa đông khi nhiệt độ xuống rất thấp nhưng hiệu suất của nó giảm đáng kể vào mùa hè khi chênh lệch nhiệt độ giữa khơng khí khơng cịn bao nhiêu, từ đó khơng khí khơng cịn khả năng làm hạ nhiệt các chất lỏng hữu cơ sử dụng trong các nhà máy. Tuy nhiên, hệ
thống dùng nước lại rất cần thiết ở những khu vực khan hiếm nguồn nước. Hệ thống này cũng hữu dụng tại những nơi có các yêu cầu khắc khe về cảnh quan sinh thái do chúng không tạo ra các cột hơi nước như ở hệ thống dùng nước. Hầu hết các hệ thống dùng khí được sử dụng trong các nhà máy kỹ thuật binary.
CHƯƠNG 2: THỰC TRẠNG ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN VÀ NĂNG LƯỢNG ĐỊA NHIỆT
2.1. Hiện trạng ứng dụng Năng lượng hạt nhân
2.1.1. Hiện trạng Năng lượng hạt nhân trên thế giới
Tình hình phát triển điện hạt nhân trên thế giới
Qua đánh giá chung trên toàn cầu cho thấy, các tổ máy ĐHN dừng hoạt động là các tổ máy đã hết, hoặc gần hết thời gian sử dụng, công suất nhỏ (≈ 600MW), thế hệ cũ. Các quốc gia ĐHN cũng đã kiểm tra, bổ sung thiết bị đảm bảo an toàn, tiếp tục hoàn thiện, nối lưới các tổ máy đang xây dựng, khởi công xây dựng các tổ máy ĐHN thế hệ mới (thế hệ 3, 3+) công suất lớn hơn (≥ 1000MW), an toàn hơn.
Thống kê tăng/ giảm các tổ máy điện hạt nhân qua các năm cho ta thấy rằng, sau sự cố Fukushima từ năm 2012 đến hết năm 2018 tồn thế giới đã đóng cửa 32 tổ máy/ 21.171 MW nhưng đã hịa lưới 45 tổ máy/44.275MW đồng thời khởi cơng xây dựng thêm 40 tổ máy/42.597 MW. C Năm Số lượng Tổ máy tắt Tổng công suất (MW) Số lượng Tổ máy kết nối lưới Tổng công suất (MW) Số lượng Tổ máy bắt đầu xây dựng Tổng công suất (MW) 1 2012 3 1.342 3 2.957 7 6.9 2 2013 6 5.403 4 4.036 10 11.312 3 2014 1 605 5 4.721 3 2.479 4 2015 7 3.863 10 9.377 8 8.359 5 2016 4 2.043 10 9.479 3 3.014 6 2017 5 2.989 4 3.305 4 4.254 7 2018 6 4.926 9 10.4 5 6.279
Tổng
cộng 32 21.171 45 44.275 40 42.597
Số lượng lị phản ứng điện hạt nhân
Tính đến cuối năm 2018 có 35 quốc gia và vùng lãnh thổ xây dựng nhà máy ĐHN, tổng số có 450 lị phản ứng ĐHN đang vận hành, với tổng công suất lắp đặt 396.902 MW. Trong đó, Mỹ đứng đầu trên thế giới với 98 lị phản ứng với tổng cơng suất 99.061 MW, tiếp theo là Pháp, Trung Quốc, Nhật, Nga, Hàn Quốc, Ấn Độ, Canada... và 55 lị phản ứng đang xây dựng với tổng cơng suất 56.643 MW.
Ấn Độ và Trung Quốc là các quốc gia hạt nhân mới nổi. Hiện nay, Ấn Độ đang vận hành 22 lị phản ứng, với tổng cơng suất 5.308 MW, hiện đang có 7 lị phản ứng đang trong quá trình xây dựng và 24 lò đang lên kế hoạch xây dựng trong tương lai gần, dự kiến sẽ đạt 14.600 MW vào năm 2024 và 63.000 MW vào năm 2032, tiến tới cung cấp 25% sản lượng điện năng từ điện hạt nhân vào năm 2050. Trung Quốc đang vận hành 46 lò phản ứng, đang xây dựng 11 lò chiếm tỉ trọng 20% các dự án xây dựng ĐHN trên tồn thế giới.
Với mục đích giảm phát thải gây ơ nhiễm mơi trường từ các nhà máy điện chạy than, song song với việc phát triển năng lượng gió, mặt trời và địa nhiệt, Trung Quốc tham vọng tăng gấp 3 lần cơng suất phát ĐHN lên đến ít nhất 58.000 MW vào năm 2020-2021 và đạt 150.000 MW vào năm 2030. Trung Quốc đã tự chủ phần lớn trong thiết kế
và xây dựng điện hạt nhân cũng như chu trình nhiên liệu. Chính sách của Trung Quốc là tăng cường xuất khẩu công nghệ hạt nhân cho các quốc gia như Pakistan, Rumania, Argentina,…
Bốn Quốc gia đang xây dựng nhà máy ĐHN đầu tiên: Các Tiểu vương quốc Ả rập Thống nhất (4 tổ máy APR 1400 của Hàn Quốc); Belarus (2 tổ máy AES-2006 (V- 491) của Nga); Bangladesh (2 tổ máy AES-2006 (V-392M) của Nga); Thổ Nhĩ Kỳ (1 tổ máy VVER V-509 của Nga) các tổ máy trên đang được xây dựng đáp ứng tiến độ.
Về công nghệ
Loại công nghệ đang được sử dụng chủ yếu trong các nhà máy ĐHN trên thế giới là lò áp lực (PWR). Lò áp lực chiếm 66,22% về số lượng và 71,23% về công suất điện. Tiếp theo là lị nước sơi (BWR) chiếm 16% về số lượng và 17,93% về công suất điện.
Trong năm 2018, lần đầu tiên các tổ máy ĐHN tiên tiến thuộc thế hệ 3+ (VVER- 1200/AES 2006 của Nga; AP 1000 của Mỹ; EPR- 1750 của Pháp…) được đưa vào vận hành tại Nga và Trung Quốc. Đồng thời thế hệ lò 3+ cũng được tiếp tục khởi công xây dựng ở các nước: Thổ Nhĩ Kỳ, Anh, Nga, Bangladesh. Thế hệ 3+ đã đáp ứng yêu cầu
cao nhất về an tồn (hiện nay các lị trên thế giới đang vận hành đều là thế hệ 3 trở xuống); kết hợp một cách hợp lý các hệ thống an toàn theo nguyên lý chủ động và thụ động đảm bảo an tồn cao trong q trình vận hành nhà máy, giảm thiểu tối đa hậu quả trường hợp xảy ra sự cố trong và ngoài thiết kế (như máy bay rơi, mất điện toàn nhà máy, ...). Trong trường hợp xảy ra sự cố cực đoan, lò phản ứng được thiết kế hệ thống bẫy vùng hoạt (core-catcher) để lưu giữ nhiên liệu nóng chảy ở đáy thùng lị và được làm mát bởi các hệ thống cấp nước thụ động. Chất phóng xạ được giữ trong đáy thùng lị, khơng phát tán ra môi trường.
Song song với việc phát triển các tổ máy ĐHN thương mại công suất lớn nêu trên, các nước Nga, Mỹ, Trung Quốc và Ấn Độ đang tăng cường nghiên cứu và phát triển các cơng nghệ ĐHN mới như cơng nghệ lị phản ứng nhiệt độ cao làm mát bằng khí, lị phản ứng Neutron nhanh... các lị phản ứng cỡ nhỏ cho nhà máy ĐHN nổi.
Về sản lượng điện
ĐHN đóng góp quan trọng vào tổng sản lượng điện trong từng quốc gia hạt nhân. Đứng đầu là Pháp, năm 2018 tỷ lệ ĐHN chiếm tới 71,67 %; tiếp theo là Slovakia: 55,03%; Ukraina: 52,96%,... Mỹ tuy đứng đầu thế giới về số lượng tổ máy ĐHN nhưng sản lượng ĐHN chỉ đóng góp 19,32% cho sản lượng điện quốc gia.
28
T
T Quốc gia Đang xây dựn g (tổ má y) Đa ng hoạ t độn g (tổ má y) Tổng sản lượng ĐHN năm 2018 GW.h Tổng sản lượng điện năm 2018 GW.h Tỷ lệ ĐH N % 1 Mỹ 2 98 807.078,0 0 4.177.810,00 19,32 2 Pháp 1 58 393.200,0 0 548.600,00 71, 67 3 Nhật Bản 2 39 49.199,00 793.681 6,20 4 Nga 6 36 191.331,4 9 1.070.922,40 17,87 5 Trung Quốc 11 46 286.501,00 6.791.420,00 4,22 6 Hàn Quốc 5 24 127.075,00 536.951,00 23,67 7 Ấn Độ 7 22 35.388,68 1.129.886, 22 3,1 3 8 Canada 0 19 95.037,24 638.938,72 14, 87 9 Anh 1 15 59.098,00 333.458,00 17, 72 1 0 Ukraina 2 15 84.398,06 159.350,50 52,96 1 1 ThụyĐiển 0 8 63.849,36 158.313,00 40,33 1 2 Đức 0 7 71.866,45 613.100,00 11, 72 1 3 Bỉ 0 7 26.995,63 69.212,35 39,00 1
4 Tây BanNha 0 7 53.295,00 260.906,00 20,43 1 5 Cộnghòa Séc 0 6 282.554,00 818.964,00 34,50 1 6 ĐàiLoan, TQ 2 4 26.656,43 233.283,20 11, 43 1 7 Thụy sỹ 0 5 24.496,46 64.928,28 37,73 1 8 Phần Lan 1 4 21.889,00 67.462,00 32, 45 1 9 Slovakia 2 4 13.788,90 25.057,17 55,03 2 0 Hungary 0 4 14.857,26 29.339,91 50, 64 2 1 Argentin a 1 3 6.452,97 137.830,00 4,6 8 2 2 Pakistan 2 5 9.289,66 136.485,00 6,81 2 3 Mexico 0 2 13.200,33 249.144,37 5,3 0
2.1.1.1. Một số nhà máy điện hạt nhân lớn trên thế giới (2017)
Nhà máy Kashiwazaki-Kariwa
Công suất: 8.212 MWh
Được TEPCO xây dựng vào năm 1985 và đưa vào sử dụng năm 1997, Nhà máy Kashiwazaki-Kariwa là nhà máy điện hạt nhân lớn nhất thế giới với 7 lò phản ứng. Năm 2007, Nhật Bản phải hứng chịu trận động đất mạnh 6,8 độ richter gây ra những rị rỉ chất phóng xạ nghiêm trọng, TEPCO phải chịu rất nhiều những lời chỉ trích do chậm trễ trong cơng tác xử lý và báo cáo. Sau đó nó đã bị đóng cửa.
Nhà máy Uljin
Công suất: 6.157 MWh
Nhà máy Uljin là một trong những nhà máy điện hạt nhân lớn nhất, nằm ở Gyeongsangbuk, Hàn Quốc. Được xây dựng sau, dường như là cơ hội để học hỏi và đúc rút kinh nghiệm từ những sự cố trước đây của Nhật Bản, các nhà chức trách Hàn Quốc đã cho xây dựng những bức tường thành lớn bao bọc quanh nhà máy trên vùng biển phía Đơng, để tăng sức chịu đựng đối với những trận động đất lớn đến 7 độ richter. Đồng thời, cũng trích nguồn ngân sách 922 triệu USD nhằm tái thiết nhà máy.
Nhà máy Zaporizhzhia
Công suất: 6.000 MWh
Nhà máy Zaporizhzhia là nhà máy điện hạt nhân lớn nhất châu Âu, cung cấp đến 50% sản lượng điện hạt nhân cho Ukraine. Vị trí của nhà máy nằm ở miền trung Ukraine